1960 год
: 16 мая
Т. Мейман
продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера
. В качестве активной среды использовался кристалл
искусственного рубина
(
оксид алюминия
Al
2
O
3
с небольшой примесью
хрома
Cr), а вместо объёмного резонатора служил
резонатор Фабри — Перо
, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесёнными на торцы кристалла. Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны 694,3
нм
. В декабре того же года был создан
гелий-неоновый лазер
, излучающий в непрерывном режиме (
А. Джаван
,
У. Беннет
, Д. Хэрриот). Изначально лазер работал в
инфракрасном диапазоне
, затем был модифицирован для излучения видимого красного света с длиной волны 632,8 нм
.
Физической основой работы лазера служит явление
вынужденного (индуцированного) излучения
. Суть явления состоит в том, что возбуждённый
атом
(или другая
квантовая система
) способен излучить
фотон
под действием другого фотона без его поглощения, если
энергия
последнего равняется разности энергий
уровней
атома до и после излучения. При этом излучённый фотон
когерентен
фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление
света
. Этим явление отличается от
спонтанного излучения
, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения,
поляризацию
и
фазу
.
Вероятность
того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии
. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая
инверсия населённостей
). В состоянии
термодинамического равновесия
это условие не выполняется, поэтому используются различные системы
накачки активной среды
лазера (
оптические
,
электрические
,
химические
и др.)
.
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование
положительной обратной связи
, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в
оптический резонатор
. В простейшем случае он представляет собой два
зеркала
, установленных друг напротив друга, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся
призмы
,
ячейки Керра
и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые
)
. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной
добротности
.
Генерируемое лазером излучение является
монохроматическим
(одной или дискретного набора
длин волн
), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой
частоте
тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами
. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал, в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном
оптической оси
резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости
. Наконец, луч лазера имеет строго определённую
поляризацию
. Для этого в резонатор вводят различные
поляризаторы
, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под
углом Брюстера
к направлению распространения луча лазера
.
где
N
— число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией
E
,
N
0
— число атомов, находящихся в основном состоянии (энергия равна нулю),
k
—
постоянная Больцмана
,
T
—
температура
среды. Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии, меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что
фотон
, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение, также мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому
электромагнитная волна
, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов.
Интенсивность
излучения при этом падает по
закону Бугера
:
где
I
0
— начальная интенсивность,
I
l
— интенсивность излучения, прошедшего расстояние
l
в веществе,
a
1
—
показатель поглощения
вещества. Поскольку зависимость
экспоненциальная
, излучение очень быстро поглощается.
В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону
:
где
a
2
— коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе
. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение
примесями
, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.)
.
Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В
твердотельных лазерах
она осуществляется за счёт облучения мощными
газоразрядными лампами-вспышками
, сфокусированным
солнечным
излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых)
. При этом возможна работа только в импульсном или импульсно-периодическом режиме, поскольку требуются очень большие
плотности энергии
накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества
. В газовых и жидкостных лазерах (см.
гелий-неоновый лазер
,
лазер на красителях
) используется накачка
электрическим разрядом
. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка
химических лазеров
происходит посредством протекания в их активной среде
химических реакций
. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка
полупроводниковых лазеров
происходит под действием сильного прямого
тока
через
p-n-переход
, а также пучком
электронов
. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых
газов
;
фотодиссоциация
, частный случай химической накачки и др.)
.
Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере.
Рубин
представляет собой
кристалл
корунда
Al
2
O
3
,
легированный
небольшим количеством
ионов
хрома
Cr
3+
, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния
электрического поля
кристаллической решётки
корунда внешний энергетический уровень хрома
E
2
расщеплён (см.
эффект Штарка
). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки
. При этом атом переходит из основного состояния с энергией
E
0
в возбуждённое с энергией около
E
2
. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка
10
−8
с
), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень
E
1
, на котором атом может находиться значительно дольше (до
10
−3
с
), это так называемый
метастабильный уровень
. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии, становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации
.
Создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня
E
0
на уровень
E
1
нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации
.
В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах
неодима
Nd
3+
, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным
E
2
и основным уровнем
E
0
имеется промежуточный — рабочий уровень
E
1
. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями
E
2
и
E
1
. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (
E
2
) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (
E
1
). Это значительно снижает требования к источнику накачки
. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений
. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (η
квантовое
= hν
излучения
/hν
накачки
)
Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером
моды
, соответствующие
стоячим волнам
данного резонатора
, и подавляя другие
. Если на
оптической длине
L
резонатора укладывается целое число полуволн
n
:
то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие
интерференции
усиливают друг друга. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг друга. Таким образом, спектр
собственных частот
оптического резонатора определяется соотношением:
Линии в
спектре излучения
в силу различных причин (
доплеровское уширение
, внешние
электрические
и
магнитное
поля,
квантовомеханическое
эффекты и др.) всегда имеют конечную ширину
Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину
спектральной линии
(в лазерной технике применяется термин «полоса усиления») укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым
. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же
то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии
.
При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом
к ней. Условие усиления тогда принимает вид
:
Это приводит к тому, что
интенсивность
пучка лучей лазера различна в разных точках
плоскости
, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные
диафрагмы
, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов
.
Вертикально-излучающие лазеры
(VCSEL) — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — разновидность диодного полупроводникового лазера, излучающего свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности пластин.
Лазеры на красителях
. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды
раствор
флюоресцирующих с образованием широких
спектров
органических красителей
. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного
синглетных
электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях
.
Газовые лазеры
— лазеры, активной средой которых является смесь
газов
и
паров
. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например,
лазеры с ядерной накачкой
, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе
, однако без особого успеха
),
и
химические
лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и
эксимерные лазеры
.
— газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём
адиабатического расширения
движущейся с высокой
скоростью
газовой смеси (чаще N
2
+CO
2
+He или N
2
+CO
2
+Н
2
О, рабочее вещество —
CO
2
, см.
Углекислотный лазер
)
.
Эксимерные лазеры
— разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах
эксимерных молекул
(
димерах
благородных газов
, а также их
моногалогенидов
), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с
инверсией населённостей
. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне
.
Химические лазеры
— разновидность лазеров, источником энергии для которых служат
химические реакции
между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие
свободных радикалов
, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней
ИК-области
, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения
.
Лазеры на свободных электронах
— лазеры, активной средой которых является поток свободных
электронов
, колеблющихся во внешнем
электромагнитном поле
(за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с
релятивистской
скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают
и
, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле
ондулятора
, вторых — мощным полем электромагнитной волны. Существуют также лазеры на циклотронном резонансе и
, основанные на тормозном излучении электронов, а также
, использующие эффект
черенковского
и
переходного излучений
. Поскольку каждый электрон излучает до 10
8
фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами
классической электродинамики
.
Квантовые каскадные лазеры
— полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем
инфракрасном диапазоне
. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешёнными
электронными
и
дырочными
уровнями, разделёнными
запрещенной зоной
полупроводника
, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями
гетероструктуры
полупроводника и состоит из двух типов лучей, причём вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии
.
Волоконный лазер
— лазер,
резонатор
которого построен на базе
оптического волокна
, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным.
Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (
рентгеновские лазеры
,
гамма-лазеры
и др.).
С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем»
. В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели
компакт-дисков
,
лазерные принтеры
, считыватели
штрихкодов
,
лазерные указки
и пр.). Легко достижимая высокая плотность энергии излучения позволяет производить локальную термическую обработку и связанную с ней механическую обработку (
резку
,
сварку
,
пайку
,
гравировку
). Точный контроль зоны нагрева позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру,
керамику
и
металл
). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка
микрона
, что позволяет использовать его в
микроэлектронике
для прецизионной механической обработки материалов (резка полупроводниковых кристаллов, сверление особо тонких отверстий в
печатных платах
)
. Широкое применение получила также лазерная
маркировка
и
художественная гравировка
изделий из различных материалов
(в том числе объёмная гравировка прозрачных материалов). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное
легирование
, лазерная
наплавка
,
) с целью повышения их
износостойкости
. При лазерной обработке материалов на них не оказывается
механическое
воздействие, зона нагрева мала, поэтому возникают лишь незначительные термические
деформации
. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.
Лазеры применяются в
голографии
для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения. Некоторые лазеры, например,
лазеры на красителях
, способны генерировать
монохроматический свет
практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать
10
−16
с
, и, следовательно, огромных
мощностей
(так называемые
). Эти свойства используются в
спектроскопии
, а также при изучении
нелинейных оптических эффектов
. С использованием лазера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров.
Лазерная локация
космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и способствовала уточнению параметров
космической навигации
, расширила представления о строении
атмосферы
и поверхности планет
Солнечной системы
. В астрономических
телескопах
, снабжённых
адаптивной оптической системой
коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.
Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (
лазерный гироскоп
), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.
Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в
лазерной химии
для запуска и анализа
химических реакций
. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему
. В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения
, рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров
управляемого термоядерного синтеза
. Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и
прицеливания
. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования
.
Для изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом и получения управляемого термоядерного синтеза строят
большие лазерные комплексы
, мощность которых может превосходить
1 ПВт
.
Лазерная связь
В настоящее время бурно развивается так называемая
лазерная связь
. Известно, что чем выше
несущая частота
канала связи
, тем больше его
пропускная способность
. Поэтому
радиосвязь
стремится переходить на всё более короткие длины волн. Длина
световой волны
в среднем на шесть порядков меньше длины волны
радиодиапазона
, поэтому посредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объёма информации. Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по
оптическому волокну
, где свет за счёт явления
полного внутреннего отражения
может распространяться на большие расстояния, практически не ослабевая
.
Любой, даже маломощный лазер, представляет опасность для зрения человека. Лазер часто применяется в быту, на концертах, музыкальных мероприятиях. Зафиксировано множество случаев получения
ожогов сетчатки
глаза
, что приводило к временной или полной слепоте.
художественный фильм [www.kino-teatr.ru/kino/movie/sov/12901/annot/ «Синее небо»] (режиссёр: Марк Толмачев, сценарист: Игорь Неверов, оператор: Фёдор Сильченко,
Одесская киностудия
,
1971 год
) — о начале лазерной эры в медицине, а именно в
офтальмологии
. Действие картины происходит в стенах научного
Института глазных болезней им. В. П. Филатова АМН Украины
. Прообразом главного героя, врача Андрея Тарана, послужил
проф. Л. А. Линник
, который впервые в мире в 1963 году применил лазерное излучение для коагуляции сетчатки.
↑
С. Транковский.
(неопр.)
. Krugosvet.ru. Дата обращения: 28 июля 2009.
24 августа 2011 года.
Dirac P. A. M.
(1927).
The Quantum Theory of the Emission and Absorption of Radiation
.
Proceedings of the Royal Society A
. Vol. 114. pp. 243—265.
(англ.)
↑
Алексей Левин.
(неопр.)
. Popmech.ru (1 июня 2006). Дата обращения: 28 июля 2009.
24 августа 2011 года.
Ivar Waller.
(англ.)
. Elsevier Publishing Company (1972). Дата обращения: 20 июля 2009.
24 августа 2011 года.
↑
François Balembois et Sébastien Forget.
(англ.)
. Optics4Engineers. Дата обращения: 11 декабря 2013.
16 декабря 2013 года.
Maiman, T.H.
Stimulated optical radiation in ruby
(англ.)
// Nature. — 1960. —
Vol. 187
,
no. 4736
. —
P. 493—494
. —
doi
:
.
Сивухин Д. В.
Общий курс физики. Оптика. —
М.
:
Наука
, 1985. — Т. 4. — С. 704—706. — 735 с.
↑
Ораевский А. Н.
Лазер //
Под ред. М. Е. Жаботинского
Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. —
М.
:
«Советская энциклопедия»
, 1969. —
С. 89—118
.
Р. Фейнман
, Р. Лейтон, М. Сэндс.
3 - излучение, волны, кванты; 4 - кинетика, теплота, звук
//
Фейнмановские лекции по физике
. — 3-е изд. —
М.
: Мир, 1976. — Т. 1. — С. 311—315. — 496 с.
Einstein А.
Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie
(нем.)
// Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. — 1916. —
Bd. 18
. —
S. 318
.
Hecht, Jeff.
The history of the x-ray laser
(неопр.)
// Optics and Photonics News. — Optical Society of America, 2008. — May (
т. 19
,
№ 5
). —
С. 26—33
.
(англ.)
(англ.)
(pdf). United States Department of Energy. Дата обращения: 16 августа 2009. Архивировано из
24 августа 2011 года.
Faist J. et al.
(англ.)
// Science. — 1994. — April (
vol. 264
,
no. 5158
). —
P. 553—556
. —
doi
:
. —
.
17 ноября 2009 года.
(англ.)
Kazarinov R. F., Suris R.A.
Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice
(англ.)
// Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov : journal. — 1971. — April (
vol. 5
,
no. 4
). —
P. 797—800
.
(англ.)
Некоторые
внешние ссылки
в этой статье
ведут на сайты, занесённые в
спам-лист
Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны
неавторитетными источниками
или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки
ссылками на соответствующие правилам сайты
или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым).